基于Arduino的物聯網智能澆灌系統設計與開發＊

張棚，張子璇，楊卓，韓鳳霞

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基于Arduino的物聯網智能澆灌系統設計與開發＊

張棚1，張子璇1，楊卓1，韓鳳霞2

（1.北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192；2.北京信息科技大學 機電實習中心，北京 100192）

為了滿足長時間無人照看珍貴綠植的灌溉需求，及節省溫室大棚的批量化生產的人力資源，開發了高效、精準、便利的遠程綠植管理系統。系統以Arduino單片機為控制核心，利用溫濕度傳感器等對當前土壤環境及空間環境進行實時監測，以調整水泵的出水時間和出水量。同時，通過藍牙模塊配合占有率最高Android手機操作系統，用戶可以直觀地看到各類參數并且可以手動設定澆花臨界值，以解決無人看管情況下的自動灌溉及批量綠植養殖的人工成本問題。

Arduino；Android；傳感器；自動澆灌

隨著科技的發展和進步，人們對居住的環境要求越來越高。在家中種植綠植不僅可陶冶我們的情操、豐富業余生活，也能凈化空氣。在日常生活中，上班族因工作、出差或旅行等原因缺少照料綠植的時間，學校辦公室、教室的花卉在寒暑假時因長時間無人定期澆水也會枯死；對于溫室大棚的苗圃種植來說，每種綠植所對應不同的需水量，需要人們花時間思考，如何降低人工成本，實現收益的最大化，是亟待解決的問題。

近幾年來，國內市場上出現了多種自動澆灌的設備，工作原理不盡相同，市面上自動澆灌系統更多用于苗圃基地等大型場所，尤其是在自動澆灌系統較為成熟的國外，比如Droplet系統，主要采用了最新的自動技術和可連接設備，并使用了云計算服務。無論在哪里，都可以通過智能手機、平板或者電腦等連網設備對 Droplet系統進行控制和配置。但相比于中小型苗圃種植者來說，這樣的澆灌系統較為昂貴，而且噴灌的方式也不適合家庭綠植所處的狹小空間。

目前，市場上可供選擇的新型澆花系統在參數獲取方面做的非常精確，在網絡連接方面采用WiFi、Zigbee等模塊實現與網頁、手機等的配合，并且一些系統還能運用到智能農業當中。但目前國內較少使用Arduino進行核心控制，并且在人機交互等方面還存在著很多不足，無法滿足日益增長的客戶需求。基于目前的澆灌系統存在的一些問題和缺陷，需要設計一款可以讓用戶很直觀地獲得各種監測數據并且能夠遠控制的智能澆灌系統。基于Arduino的物聯網智能澆灌系統則滿足要求。

1 設計思路

本文所設計自動澆灌系統包括硬件系統和軟件系統兩個方面，硬件系統主要由以Arduino為控制核心的傳感器組和以水泵為主的澆灌執行系統組成，包括Arduino UNO開發板、溫度檢測模塊、濕度檢測模塊、光強檢測模塊、水位監測模塊、藍牙模塊、澆灌執行模塊等。軟件系統則依靠Google公司專門開發的一款圖形化編程軟件App Inventor搭建，在Android系統中依靠藍牙模塊進行數據傳輸。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

2 硬件設計

2.1 Arduino MEGA2560

隨著單片機性能的不斷提高，市面上可供選擇的單片機種類也越來越多。相比于價格昂貴并且適用于Linux系統的Raspberry Pi主板來說，Arduino UNO具有極強的開發性，可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統上運行，而其他的大多數控制器只能在Windows上開發。

Arduino MEGA2560的核心是有54個數字I/O接口和15個模擬量I/O接口的ATmega2560單片機，并且其軟件部分Arduino IDE基于processing IDE開發，是一個完全開源的平臺。在USB供電或者外部直流電源供電的條件下能支持3.3 V及5 V輸出。

Arduino MEGA2560開發板如圖2所示。

2.2 藍牙模塊

藍牙模塊采用SH-HC-06模塊。該模塊采用英國CSR公司芯片，兼容市場上的HC-06模塊，遵循藍牙V2.0+EDR藍牙規范，最高傳輸速率可達2.1 M，傳輸距離超過20 m。本模塊支持UART接口、SPP藍牙串口協議，具有成本低、體積小、收發靈敏、性能高等優點，只需要配備少許的外圍元件就能實現較強的功能。在軟件方面，支持AT指令，用戶可以根據需要使用AT指令更改串口波特率、設備名稱、配對密碼等參數，使用靈活。

圖2 Arduino MEGA2560開發板

2.3 溫濕度檢測模塊

溫濕度檢測模塊采用DHT11溫濕度傳感器。該模塊功耗低且抗干擾能力強，具有超長的信號傳輸距離和長期的穩定性，單線制串行接口使系統集成簡單快捷，滿足家庭綠植所處環境中的溫濕度檢測需求。在工作時，Arduino核心控制器發送信號，DHT11由低功耗狀態轉變為高速狀態，采集當前狀態的各參數量，然后將采集到的數據發送。控制端開始接收并保存相應的數據信息，用戶能夠通過手機軟件直觀看到綠植所處環境中的相應參數值。

2.4 光強度檢測模塊

光強度檢測模塊采用光敏二極管。光敏二極管對環境光強最敏感，可用于檢測周圍環境的亮度和光強，在環境無光或光強達不到設定閾值時，對外輸出高電平，反之則輸出低電平。光敏二極管通過一個引腳和Arduino MEGA2560的一個I/O口相連，單片機從而獲得環境光照強度值。由于不同植物對光照強度的敏感程度不同，在控制端接收并保存光照強度參數后與設定的閥值相比，再結合溫濕度后做出是否能澆灌的決定。

2.5 水位監測模塊

水位監測模塊采用Water Sensor水位傳感器，Water Sensor水位傳感器的工作溫度為10～30 ℃，工作濕度為10%～90%無凝結。該傳感器是通過具有一系列的暴露的平行導線線跡測量所處環境中水量大小而判斷水位。在完成水量到模擬信號的轉換后，輸出的模擬值直接被Arduino開發板讀取，如果得到的水位低于水泵正常工作水位，為了避免水泵因為空轉而燒壞，手機軟件界面會提醒用戶水位不足以達到監測水位目的。

3 軟件設計

3.1 手機軟件開發

手機軟件是硬件系統與客戶間實現人機交互和遠程控制的媒介，軟件界面主要包括實時參數顯示、是否達到澆灌條件判斷、人為控制澆灌選項等。手機軟件的設計通過APP Inventor完成。

手機軟件的主要功能如下：①實時參數顯示。包括實時的溫度、濕度、水位、光照強度顯示，用戶能夠很直觀地看到環境參數。②顯示是否達到設定的澆灌條件。在溫度、濕度、光照條件等都滿足，且供水充足的條件下，顯示達到澆灌條件。③人為澆灌控制。在傳感器出現故障，根據澆灌周期等經驗因素判斷達到了澆灌條件時，可以人為控制澆灌。④周期性澆灌。根據用戶使用澆灌系統一段時間后，可以控制硬件進行周期性的澆灌。

圖3 各傳感器連接圖

3.2 系統設計

軟件系統主要包括溫度檢測、濕度檢測、光照強度檢測、水位檢測及藍牙數據傳輸。其中，土壤濕度值的檢測關鍵點，是通過對其實時值的采集、處理，然后與設定的閾值進行比較，進而決定是否控制水泵進行澆灌。溫度值和光照值的采集主要從生物的角度考慮，較高溫度或較低溫度條件下，以及較強光照條件下，澆灌都不利于植物的生長，所以，可以通過人為設定閾值范圍，從而進行判斷。水位傳感器檢測供水是否充足以保護水泵。

4 結束語

由于每種綠植在不同環境參數下的水分需求量不同，本系統主要針對于一種或一類的植物進行精確澆灌以達到科學種植的目的。通過Android系統將Arduino單片機讀取到的各類參數可視化地呈現在軟件界面，能夠在用戶不在的條件下更好地管理家庭綠植。通過大量實驗證明，本文設計的基于Arduino的物聯網智能澆灌系統，可從環境和用戶兩方面考慮實現在無人的條件下達到自主澆灌的目的，并且可以根據用戶的設置實現周期性的澆灌，具有較好的開發價值。

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張棚（1997—），男，四川成都人，本科，研究方向為機械電子工程。

大學生科研訓練項目“基于Arduino的物聯網智能澆灌系統設計與開發”（編號：5111823104）

2095－6835（2019）02－0030－02

TN92

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.030

〔編輯：張思楠〕